Морган связывает наследственность с хромосомами

Что было известно

К 1909 году наследственность изучалась с двух сторон, которые никак не сходились.

Со стороны опыта. В 1900 году были переоткрыты закономерности, установленные Грегором Менделем в 1866-м: признаки передаются отдельными задатками, не смешиваясь, и распределяются в потомстве в определенных числовых соотношениях. Датчанин Вильгельм Иогансен в 1909 году предложил называть эти задатки генами.

Что такое ген, при этом не знал никто. Это было счетное понятие: нечто, передающееся целиком и определяющее признак.

Со стороны микроскопа. Со времени работ Вальтера Флемминга в начале 1880-х годов было известно, что при делении клетки в ядре появляются окрашивающиеся тельца - хромосомы, - которые удваиваются и расходятся по дочерним клеткам строго поровну.

К началу века накопились соображения, что именно они и есть носители наследственности.

Теодор Бовери на опытах с яйцами морского ежа в 1902 году показал, что для нормального развития требуется полный и правильный набор хромосом, а не просто определенное их количество.

Уолтер Саттон, молодой американец, в 1902-1903 годах сопоставил поведение хромосом при созревании половых клеток с менделевскими правилами и обнаружил точное соответствие: хромосомы парны, при делении пары расходятся, от каждого родителя потомок получает по одной.

Это и называют хромосомной теорией Саттона и Бовери.

В 1905 году Нетти Стивенс и, независимо от нее, Эдмунд Уилсон установили, что пол связан с особой парой хромосом, различающихся у самцов и самок. Вклад Стивенс, работавшей в стесненных обстоятельствах и умершей в 1912 году, долго недооценивался.

Затруднение

Теория Саттона и Бовери была построена на сходстве поведения, а не на доказательстве.

Хромосомы ведут себя так, как должны вести себя менделевские задатки. Но из сходства не следует тождество.

Хуже того, имелось прямое возражение.

Менделевское правило независимого распределения гласит, что признаки наследуются независимо друг от друга. Между тем хромосом у любого организма немного - у человека двадцать три пары, у плодовой мушки четыре, - а признаков многие тысячи.

Значит, на одной хромосоме должно располагаться множество генов. А тогда они обязаны наследоваться совместно, то есть независимого распределения не будет.

Или Мендель неверен, или хромосомы ни при чем.

Требовалось показать, что определенный ген расположен на определенной хромосоме. Как это сделать, было неясно.

Морган и его сомнения

Томас Хант Морган родился 25 сентября 1866 года в Лексингтоне, штат Кентукки, в семье с южными и весьма воинственными родственными связями: его дядя был кавалерийским генералом Конфедерации.

Он защитил диссертацию по морским паукам в университете Джонса Хопкинса, преподавал в женском колледже Брин-Мор, а с 1904 года занимал кафедру в Колумбийском университете.

По складу он был экспериментальным эмбриологом и относился с недоверием ко всему, чего нельзя показать в опыте.

Существенно следующее: к моменту начала работы он не верил ни в одно из положений, которые впоследствии сам доказал.

Менделизм он считал формальной арифметикой, оперирующей невидимыми и, возможно, вымышленными сущностями.

Хромосомную теорию - построением по аналогии, не подкрепленным доказательствами.

Естественный отбор он также отвергал, полагая, что виды возникают скачком, и придерживался мутационной теории Хуго де Фриза, о которой альманах рассказывает отдельно.

Именно последнее обстоятельство и привело его к мухе.

Почему муха

Де Фриз наблюдал внезапное появление новых форм у энотеры - растения с длинным жизненным циклом. Морган рассудил, что если мутации возникают достаточно часто, их надо искать на организме, дающем много поколений быстро.

Плодовая мушка Drosophila melanogaster подходила превосходно, и ее уже пробовали применять другие исследователи.

Достоинства ее таковы.

Скорость. Поколение сменяется примерно за десять дней.

Плодовитость. Одна самка дает сотни потомков.

Дешевизна. Мух держали в молочных бутылках, которые студенты добывали с городских подоконников, и кормили размятыми бананами. Все хозяйство стоило считаные доллары.

Малое число хромосом. Всего четыре пары - обстоятельство, оказавшееся решающим.

Морган завел мух около 1908 года и приступил к делу.

Два года

Замысел состоял в том, чтобы вызвать мутации искусственно.

Мух облучали рентгеновскими лучами и радием, нагревали, охлаждали, центрифугировали, обрабатывали кислотами и солями, держали в темноте и на свету.

Ничего не происходило. Поколение за поколением мухи оставались одинаковыми.

Позже он говорил, что потратил два года впустую.

Отступление, впрочем, дало побочный результат: за эти два года в лаборатории накопились навык разведения, тысячи бутылок и привычка ежедневно рассматривать мух под лупой.

Белоглазый

В начале 1910 года в одной из бутылок обнаружился самец с белыми глазами.

У обычной плодовой мушки глаза кирпично-красные. Этот был белоглазым.

По рассказам, Морган забрал его домой в банке и держал ночью у постели, опасаясь, что единственный экземпляр погибнет.

Дальше была проведена простая проверка.

Первое скрещивание. Белоглазый самец с обычной красноглазой самкой. Все потомство - красноглазое. Значит, белоглазость - признак рецессивный, то есть подавляемый.

Второе скрещивание. Потомки первого поколения между собой. В потомстве красноглазых и белоглазых оказалось примерно три к одному - в точности по Менделю.

И тут обнаружилось то, чего Мендель не предсказывал.

Все белоглазые особи были самцами. Ни одной белоглазой самки.

Что из этого следовало

Объяснение нашлось единственное, и оно было хромосомным.

Пол у мушки, как и у человека, определяется особой парой: у самок две одинаковые хромосомы, обозначаемые X, у самцов одна X и одна Y, отличная от нее.

Если предположить, что задаток цвета глаз расположен на хромосоме X и отсутствует на Y, все становится на место.

У самки две X, и чтобы проявилась белоглазость, нужно, чтобы рецессивный вариант был на обеих. Вероятность этого мала.

У самца X одна. Что на ней есть, то и проявляется, поскольку подавить рецессивный вариант нечем.

Отсюда следовало главное: определенный ген находится на определенной хромосоме.

Это был первый случай, когда наследственный задаток удалось привязать к видимому в микроскоп предмету.

Сообщение вышло в журнале Science 22 июля 1910 года под заглавием о наследовании, ограниченном полом.

Морган, начинавший скептиком, стал главным поборником теории, которую опровергал.

Попутно объяснилось давно известное свойство некоторых человеческих заболеваний - гемофилии и дальтонизма: они поражают почти исключительно мужчин и передаются через здоровых женщин. Механизм тот же.

Комната мух

Работа велась в помещении, известном в истории науки как комната мух.

Это была комната примерно пять на семь метров, где стояли восемь письменных столов, а по стенам - полки с молочными бутылками. Пахло перебродившими бананами; по помещению летали сбежавшие мухи; заводились тараканы.

Порядки там установились необычные для тогдашней науки.

Не было ни чинопочитания, ни приемных часов. Студенты спорили с Морганом в полный голос и поправляли его. Работали сообща, замыслы обсуждались вслух, и кому принадлежала мысль, часто было не разобрать.

Состав сложился быстро.

Альфред Стертевант пришел студентом в 1910 году - Морган взял его после того, как тот принес ему самостоятельную работу о мастях лошадей.

Кальвин Бриджес начинал мойщиком бутылок и был замечен, когда обнаружил в бутылке нового мутанта, разглядев его при мытье.

Герман Джозеф Меллер присоединился в 1912 году; отношения его с остальными были напряженными и впоследствии перешли в открытую вражду из-за приписывания заслуг.

Участвовала и Лилиан Морган, жена Томаса, сама биолог, выполнившая ряд самостоятельных работ.

Сцепление

Новые мутанты стали появляться один за другим: мухи с укороченными крыльями, с иным цветом тела, с измененной формой глаз. За несколько лет их набралось множество.

И обнаружилось то самое затруднение, которое прежде говорило против хромосомной теории.

Некоторые признаки наследовались совместно, вопреки правилу независимого распределения. Их назвали сцепленными.

Морган разобрал все известные мутации по группам сцепления - то есть по совокупностям признаков, наследующихся вместе.

Групп оказалось четыре.

Хромосомных пар у плодовой мушки - четыре.

Совпадение было решающим доводом.

Однако сцепление оказалось неполным: изредка признаки, обычно наследуемые вместе, расходились.

Объяснение подсказали наблюдения бельгийского цитолога Франса Янссенса, описавшего в 1909 году, что при созревании половых клеток парные хромосомы перекрещиваются и, по-видимому, обмениваются участками.

Морган предположил, что при таком обмене гены, расположенные на одной хромосоме, могут попасть на другую из пары. Явление назвали перекрестом, или кроссинговером.

Отсюда следовал вывод, оказавшийся исключительно плодотворным: чем дальше два гена друг от друга на хромосоме, тем вероятнее, что разрыв произойдет между ними, и тем чаще они будут расходиться.

Карта

Мысль довел до конца Стертевант, которому тогда был двадцать один год.

Он сообразил, что если частота расхождения зависит от расстояния, то эту частоту можно принять за меру расстояния - и тогда по результатам скрещиваний можно расположить гены на прямой в определенном порядке и указать промежутки между ними.

По его собственному рассказу, он забрал домой лабораторные данные, просидел над ними всю ночь, забросив задания, и к утру построил схему расположения шести генов на X-хромосоме плодовой мушки.

Это была первая генетическая карта в истории. Опубликована она была в 1913 году.

Единицу расстояния на таких картах впоследствии назвали сантиморганидой - в честь руководителя лаборатории.

Значение этого шага трудно переоценить. Ген перестал быть отвлеченным понятием. У него появилось место: определенная хромосома, определенная точка на ней, определенное расстояние до соседей.

К 1915 году были составлены карты всех четырех хромосом мушки; в дальнейшем тем же способом картировали кукурузу, мышь, а в конечном счете и человека.

Доказательство Бриджеса

Последний довод привел Кальвин Бриджес.

Он заметил, что в редких случаях наследование нарушается: белоглазые самки появляются там, где их быть не должно.

Бриджес предположил, что при созревании половых клеток изредка происходит сбой и хромосомы расходятся неправильно - обе X достаются одной клетке, а другая остается без них.

Затем он взял этих необычных мух и посмотрел их хромосомы под микроскопом.

Набор оказался именно таким, какой требовался по расчету.

Иными словами, отклонение в наследовании признака точно соответствовало отклонению в видимом строении хромосом.

Свою работу 1916 года Бриджес так и озаглавил - доказательство хромосомной теории наследственности. Название было заслуженным: аналогия окончательно превратилась в установленный факт.

Дальше

В 1915 году Морган, Стертевант, Меллер и Бриджес выпустили общую книгу о механизме менделевской наследственности, сведя все сделанное воедино. Это сочинение считается основополагающим для генетики XX века.

В 1927 году Меллер показал, что рентгеновские лучи вызывают мутации - то самое, чего Морган безуспешно добивался в 1908 году. За это он получил Нобелевскую премию в 1946-м.

В 1928 году Морган перешел в Калифорнийский технологический институт, где создал биологическое отделение.

Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1933 год он получил один. На церемонию он не поехал, сославшись на занятость, и приехал год спустя.

Денежную часть премии он разделил, передав долю детям Бриджеса и Стертеванта, - поступок, которым он публично признал, что работа была общей.

Томас Хант Морган умер 4 декабря 1945 года в Пасадене.

Плодовая мушка осталась главным подопытным организмом биологии. За работы, выполненные на ней, впоследствии было присуждено еще несколько Нобелевских премий - за изучение развития зародыша, врожденного иммунитета и внутренних биологических часов.

Вопрос о том, из чего состоит ген, оставался открытым еще три десятилетия. Ответ дали в 1944 году работы Освальда Эйвери и его сотрудников, показавшие, что наследственное вещество - это дезоксирибонуклеиновая кислота, и в 1953 году - расшифровка ее строения Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком.

Морганизм-менделизм

Для русскоязычного читателя эта история имеет продолжение, о котором необходимо сказать.

В СССР 1920-х годов генетика была на подъеме: работали школы Николая Кольцова, Сергея Четверикова, Николая Вавилова, собравшего крупнейшую в мире коллекцию семян культурных растений. Четвериков в 1926 году первым соединил генетику с учением о естественном отборе, предвосхитив то, что на Западе назовут синтетической теорией эволюции.

С середины 1930-х годов положение изменилось.

Агроном Трофим Лысенко, обещавший быстрое повышение урожаев, отвергал существование генов и наследственность, связанную с хромосомами, утверждая, что свойства организма определяются условиями и что приобретенные признаки наследуются.

Взгляды эти не подтверждались опытом, зато соответствовали идеологическим ожиданиям и обещали немедленную выгоду.

Генетика была объявлена буржуазной лженаукой, а ее сторонники - морганистами-менделистами. Термин этот, составленный из фамилий, употреблялся как обвинение.

Николай Вавилов был арестован в 1940 году и умер от истощения в саратовской тюрьме в январе 1943 года.

Окончательный разгром произошел на сессии сельскохозяйственной академии в августе 1948 года, после которой преподавание и исследования в области генетики были прекращены, лаборатории закрыты, а сотни ученых лишились работы.

Положение начало исправляться лишь с начала 1960-х годов. Отставание советской биологии от мировой, возникшее за эти два десятилетия, преодолевалось десятилетиями.